川藏鐵路某高原型隧道施工設(shè)備發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)

滕錦圖

(中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司,長(zhǎng)沙 410100)

0 引 言

川藏鐵路雅安至林芝段全線開工，線路經(jīng)過區(qū)域山高谷深，全線隧道67條，總長(zhǎng)850余公里，隧道高程1 000～4 200 m。空氣稀薄，含氧量低，4 000 m海拔高度時(shí)含氧量182.08 g/m3相較于平原地區(qū)含氧量299.3 g/m3降低了39.2%；高原氣候垂直分帶顯著，冬季極端最低氣溫為-32.2 ℃，夏季最高氣溫為40 ℃，且部分隧道存在高地?zé)峁r； 冬季和初春氣候干燥，風(fēng)沙大[1]。為適應(yīng)川藏鐵路多海拔、低氧、多風(fēng)沙、極端氣溫的施工工況，對(duì)我司某隧道施工設(shè)備發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行高原適應(yīng)性改制設(shè)計(jì)。

該設(shè)備高原型機(jī)型整機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)見表1，作業(yè)系統(tǒng)由電機(jī)組提供動(dòng)力，電機(jī)總功率55 kW,發(fā)動(dòng)機(jī)主要用于工作場(chǎng)所轉(zhuǎn)移在山間道路行駛的動(dòng)力源以及停電時(shí)作業(yè)系統(tǒng)短時(shí)間應(yīng)急動(dòng)力源。高原機(jī)型整機(jī)重量、電機(jī)組總功率等性能參數(shù)相較于平原型基本無變化，主要不同在于為適應(yīng)高原環(huán)境而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行的改制設(shè)計(jì)。

表1 設(shè)備關(guān)鍵性能參數(shù)

1 低溫啟動(dòng)方案

針對(duì)高原低溫問題所帶來的蓄電池蓄電和放電能力下降、機(jī)油粘度增大、柴油結(jié)蠟等低溫啟動(dòng)問題進(jìn)行以下設(shè)計(jì)：

1.1 電池

采用OPTIMA紅頂34免維護(hù)蓄電池，特有的螺旋纏繞單元組設(shè)計(jì)，保證了較高的啟動(dòng)功率、較小的自放電極，其工作溫度范圍廣，可在-55～75 ℃溫度范圍內(nèi)正常使用。

1.2 機(jī)身預(yù)熱

采用京威YJH-Q10A揮發(fā)霧化燃油液體加熱器，以燃燒換熱方式加熱發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液，提高發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋的溫度，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)時(shí)的壓縮上止點(diǎn)溫度，大大降低發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)的難度[2]。工作溫度-41-50 ℃，循環(huán)介質(zhì)恒定溫度68～85 ℃，耗油量1.3 L/h，油耗小熱效率高，加熱速度快。

1.3 油品選擇

根據(jù)高壓環(huán)境溫度-45～60 ℃的特點(diǎn)，高原型設(shè)備柴油機(jī)機(jī)油選型許滿足SAE 0W-40 CH4(API)[3]，柴油根據(jù)環(huán)境溫度來選擇正確的牌號(hào)，具體選型見表2。

表2 柴油選型對(duì)照表

2 空濾器方案

空濾器設(shè)計(jì)進(jìn)氣體積流量12 m3/min,相較于平原機(jī)型，進(jìn)氣量提高20%。采用曼胡默爾Piclon系列帶安全濾芯45325型雙級(jí)空氣濾清器，濾芯采用曼胡默爾特殊的過濾介質(zhì)，具有很高的容灰量，安全濾芯所用的曼胡默爾合成纖維，安全可靠性達(dá)，壓降低；尤其適用于高灰環(huán)境，濾清效率能達(dá)到99.8%。按照ISO 5011SAE粗灰度測(cè)試，最大容灰量8 600 g，滿足使用要求，配備機(jī)械式灰塵堵塞指示器，便于觀察濾芯狀態(tài)。

3 高溫散熱方案

散熱系統(tǒng)采用水冷加增壓中冷的組合散熱形式。高原低氣壓、低含氧量的環(huán)境對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡性能有很大的影響[4]：一方面，降低發(fā)動(dòng)機(jī)過量空氣系數(shù)，缸內(nèi)缺氧，燃燒滯后，一定程度上增加發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷；另一方面，冷卻液沸點(diǎn)隨海拔上升而降低，海拔4 000 m時(shí)，水沸點(diǎn)降低至88.8 ℃，冷卻液“開鍋”，散熱能力降低。為此，針對(duì)散熱系統(tǒng)作一下改造設(shè)計(jì)：冷卻熱水箱增加1.1 bar壓力蓋，消除由于海拔對(duì)冷卻液沸點(diǎn)帶來的影響；增大水冷散熱器散熱功率23%，散熱器總成性能參數(shù)見表3。

表3 散熱器相關(guān)參數(shù)

4 多海拔適應(yīng)方案

高原低氣壓低含氧量的特殊工況，會(huì)降低空燃比，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒惡化，其功率、扭矩均有一定下降，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性大打折扣[5]，而且不同海拔條件下氣壓和含氧量又不同。根據(jù)實(shí)際情況，川藏鐵路隧道主要分布在1 000、2 500、3 200、4 200 m這四個(gè)海拔段，通過以下兩種方式來應(yīng)對(duì)高原工況對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)所帶來的影響：一方面，通過電控程序，將發(fā)動(dòng)機(jī)功率刷至129 kW，1 000 m平原海拔段隧道采用118 kW平原機(jī)型，其余三個(gè)海拔段隧道采用129 kW高原機(jī)型，通過提高額定功率的方式來彌補(bǔ)由于高原工況所帶來的功率下降。另一方面，限制不同高原海拔工況下的最佳噴油量，發(fā)動(dòng)機(jī)自帶大氣壓力傳感器，ECU檢測(cè)到大氣壓力降低到閥值，會(huì)調(diào)用對(duì)應(yīng)的高原曲線，進(jìn)而調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)噴油量等參數(shù)；針對(duì)三個(gè)高原海拔段對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴油量進(jìn)行限制，以實(shí)現(xiàn)不同海撥條件下發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的較小差異，保證與變距器或液壓系統(tǒng)的匹配。

通過調(diào)整噴流量的策略來達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)功率恢復(fù)的目的，噴油量調(diào)節(jié)策略如圖1所示，相較于118 kW平原機(jī)型，129 kW高原機(jī)型三個(gè)高原海拔模式下的噴油量保護(hù)值均有所下調(diào)，隨著海拔上升，平均噴油量下調(diào)量依次為6%、12%、18%，在保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)上，最大可能的恢復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)功率。

5 結(jié)束語

該設(shè)備動(dòng)力系統(tǒng)高原型改造后，在川藏鐵路達(dá)嘎拉隧道進(jìn)行試驗(yàn)，歷經(jīng)極限溫度與多風(fēng)沙工況，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀況良好，動(dòng)力系統(tǒng)與行走系統(tǒng)匹配正常；應(yīng)急狀態(tài)下，為工作機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，設(shè)備工作正常，最高行駛速度13 km/h；滿足高原隧道施工要求。